שוב הכנסתם בקבוק זכוכית במצב טוב למקפיא והוצאתם אותו למחרת כשהוא סדוק? זה לא נובע מחוסר מזל – עקרונות הפיזיקה בכבודם ובעצמם פעלו נגדכם. חוקרים מאוניברסיטת אמסטרדם פיצחו סוף סוף את החידה מדוע בקבוקי זכוכית מתנפצים בהקפאה – והסיבה אינה רק התפשטות המים, כפי שרבים חושבים כבר שנים. נעזרנו ב-Claude כדי לנפץ את המיתוס, ואת הבקבוק.
כידוע, בניגוד לרוב החומרים, מים מתפשטים כשהם קופאים. אך השאלה המתבקשת היא: אם בקבוק מלא חלקית בלבד, למה שייסדק? האם לא אמור להיות בתוכו מספיק מקום "לפצות" על התפשטות הקרח? כדי לענות על השאלה הזו, צוות החוקרים ערך יותר מ-120 ניסויים בבקבוקי זכוכית בגדלים שונים. הם הוסיפו למים צבע כחול שהופך לשקוף כשהוא קופא, מה שאפשר להם לעקוב אחר תהליך ההקפאה.
המחקר, שפורסם בתחילת השנה ב-Scientific Reports, מצא שהנזק אינו נגרם רק בגלל התפשטות המים – הוא קורה בגלל אופן היווצרות הקרח במיכל: כשמים קופאים בבקבוק, ההקפאה מתחילה בדרך כלל מלמעלה, במקום שבו המים נוגעים בזכוכית ובאוויר. כך נוצר מעין פקק קפוא. כאשר המים ממשיכים לקפוא מבחוץ פנימה, בסופו של דבר נוצר כיס של מים נוזליים באמצע, המוקף לחלוטין בקרח. כאשר הכיס הלכוד סוף סוף קופא, אין לו לאן להתפשט, ונוצר לחץ עצום – מספיק כדי לשקע פלדה ופי ארבעה ממה שבקבוק זכוכית יכול לעמוד בו. זו הסיבה שהבקבוק נסדק.
מה אפשר לעשות?
שינוי פני השטח של הבקבוק יכול למנוע "כיסי מים" לכודים. כאשר החוקרים טיפלו בזכוכית כדי להפוך אותה לדוחת מים, המים יצרו משטח שטוח במקום מעוקל. שינוי פשוט זה גרם לקרח להתחיל להיווצר מהתחתית במקום מהחלק העליון, מה שאפשר למים הקופאים להתרחב באיטיות כלפי מעלה.
החוקרים מצאו גם שמיכלים קטנים יותר פחות נוטים להישבר. מים בבקבוקים קטנים מתקררים מהר יותר, משום שיש יותר שטח פנים ביחס לכמות המים. זה גורם למים להפוך ל"מקוררי-על" – כלומר להתקרר לטמפרטורה של מתחת ל-0 מעלות לפני שהם הופכים לקרח. זה גם מסביר מדוע בקבוקי פלסטיק לפעמים שורדים הקפאה, בעוד בקבוקי זכוכית כמעט אף פעם לא – לפי החוקרים, לפלסטיקים רבים המשמשים במכלי משקאות נפוצים יש תכונות דוחות מים טובות יותר מזכוכית.
אותם עקרונות המסבירים את הבלגן במקפיא חלים גם על נזקי כפור על כבישים ומבנים. הבנת אופן היווצרות הקרח ונזקיו יכולה לעזור למהנדסים לתכנן מבנים עמידים יותר לאקלים קר, ולעזור להגן על פריטים יקרי ערך.
טעינו? נתקן! אם מצאתם טעות בכתבה, נשמח שתשתפו אותנו